强度与延展性的权衡一直是多晶金属长期面临的难题，已经提出许多策略，例如引入梯度和孪晶微观结构克服纳米晶（NC）金属的强度-延展性权衡。
来自北京大学的研究人员提出利用织构工程结合晶界（GB）强化和梯度微观结构设计的方案，来实现更理想的强度-延展性协同。考虑到晶粒中位错存储、晶界滑动和空隙体积分数的演变，结合Gurson模型进行晶体塑性有限元模拟，揭示了导致NC金属强度-延展性权衡的主要因素是低晶界强度和位错存储能力相对于晶粒尺寸的非单调变化，证实了NC金属存在最脆晶粒尺寸的推测。此项研究还发现，高晶界强度下，NC金属的延展性受晶界损伤和晶内位错存储能力的影响。结果表明，在一定晶粒尺寸下，立方织构NC铜的失效拉伸应变是高GB强度下无织构铜的失效拉伸应变的两倍以上。相关工作以“Overcoming strength–ductility trade-off of nanocrystalline metals by engineering grain boundary，texture，and gradient microstructure”为题发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。
工程应用中亟需高力学性能多晶金属材料。一般来说，传统的多晶金属往往表现出强塑性权衡的特征。众所周知，粗晶纯金属具有高延展性，但屈服强度和断裂强度较低。克服强度低的传统方法之一是晶粒细化，但晶粒细化会导致延展性的显著损失。平均晶粒直径低于100nm的多晶金属称为纳米晶（NC）金属，大量研究证明NC金属的均匀伸长率和断裂伸长率通常较少超过5%。随着晶粒尺寸进一步减小至几纳米，NC金属被软化，在分子动力学（MD）模拟实验中表现出逆Hall-Petch（HP）行为。随着样品尺寸从宏观尺度减小到纳米尺度职能科室，金属的屈服强度表现出与尺寸无关到与尺寸相关的转变。克服金属的强度与延展性之间的权衡是巨大的挑战。
如MD模拟所示，微空隙容易在晶界及其三重连接处成核，微孔洞可能会沿着晶界或交叉晶粒内部（GI）快速生长并合并，导致晶间或穿晶断裂。随着GB强度增加，NC金属的宏观强度和延展性得到了提高。最近的实验研究表明，纳米晶镍钼合金的主要塑性变形机制从晶界介导的过程转变为部分位错活动，因为钼的晶界偏析增强了晶界的稳定性。对于初始平均晶粒直径为3.4nm、钼含量为21.5%的样品，HP到逆HP的转变显著延迟，并且最大退火引起的硬度增加到120%。高晶界稳定性和部分位错引起的应变硬化，使镍钼样品比纯镍样品具有更好的延展性。
除了降低晶界流动性之外，还致力于设计和制造具有特征界面和微观结构的金属材料，以同时提高强度和延展性。如上所述，NC金属中晶界的高密度提高了强度，但显著降低了延展性。相比之下，引入高密度孪晶界可以克服强度和延展性的相互排斥关系，因为孪晶界为位错的成核和容纳提供了更多的位点，并成为促进位错存储的障碍。提高多晶金属强度和延展性的另一个方法是引入梯度结构，具有梯度结构的NC粗晶铜复合样品的屈服强度几乎是粗晶铜强度的两倍，但均匀伸长率的牺牲并不明显，具有梯度纳米孪晶结构的铜样品，表现出强度、应变硬化和强度-延展性协同作用的同时增强。
大量实验研究致力于提高NC金属的强度-延展性协同作用，但仍有几个问题未能解决。例如，NC金属的延展性低，通常归因于应变硬化能力弱，而晶内位错存储能力或等效的应变硬化能力可以随着HP区域晶粒尺寸的减小而显著增加。尽管GI的位错存储能力以及GB和GI的损伤被认为是控制宏观应变硬化率的两个重要的因素，但尚不清楚哪个因素更重要。很少有理论和数值研究致力于定量研究晶界强度和微观结构如何影响NC金属的强度和延展性，也掩盖了晶界工程是否会饱和增强强度-延展性协同作用。
这项工作在Gurson模型框架中结合尺寸相关位错存储、晶界滑动和空洞诱导损伤进行晶体塑性有限元模拟，揭示了强塑性权衡背后的基本机制。利用结合GB强化和梯度微观结构设计的织构工程，实现了NC金属显著的强度-延展性协同作用。结果表明，在一定晶粒尺寸下，立方织构NC铜的失效拉伸应变是高GB强度下无织构铜的失效拉伸应变的两倍以上。此项研究对NC金属的微观损伤机制提供了深刻的见解，并提供了一种基于织构工程的新方法，进一步打破了NC金属的强度和延展性之间的权衡。
图3空隙体积分数的等高线 (a)屈服强度和均匀拉伸应变；(b)失效拉伸强度和失效拉伸应变。
图5 具有不同梯度结构的无织构样品的真实应力-应变曲线 (a)屈服强度和均匀拉伸应变的对应图；(b)抗拉强度和断后应变的对应图。
考虑到晶粒中位错的尺寸相关存储、晶界滑动和空隙体积分数的演变，结合Gurson模型进行晶体塑性有限元模拟，以揭示NC金属强塑性权衡的潜在机制。晶界强化、织构设计和引入梯度微结构实现了更理想的强度-延展性协同作用，NC金属存在最脆晶粒尺寸的推测也得到了证实，并深入了解了NC金属微观损伤的机制。
研究发现，对于高晶界强度金属，延展性由晶界损伤和晶内位错硬化能力决定。对于低晶界强度的NC金属，强度以及延展性与晶粒尺寸的非单调趋势，均归因于晶内位错存储能力的尺寸依赖性。HP区域的位错存储能力随着晶粒尺寸的减小而增加，导致较小晶粒尺寸下的延展性降低。在反HP区域，由于晶粒尺寸较小，饱和GI强度降低且晶界体积分数增加，因此局部晶界的损伤显著减轻，因此延展性随着晶粒尺寸的减小而增加。非单调延展性-晶粒尺寸分布意味着存在最脆的晶粒尺寸。
提高晶界强度可以减少晶界局部损伤程度，有利于晶内位错的积累。因此，位错硬化补偿甚至超过了HP区域中空洞引起的软化，从而导致高晶界强度的NC金属具有几乎与尺寸无关的延展性，提高GB强度是克服强度-延展性权衡的可行方法。织构显著促进位错增殖，延缓剪切带形成，消除颈缩。对于HP-逆HP转变附近较窄HP区域范围内的织构化样品，随着晶粒尺寸的减小，位错硬化变得更加可持续和显著，并且即使在大应变下也可以超过GI和GB损伤引起的软化。高强度晶界下，失效拉伸强度和应变都随着晶粒尺寸的减小而增加。织构工程与提高晶界强度和晶粒细化相结合，可以打破强度与延展性的权衡。具有较小内部晶粒和较大表面晶粒的梯度NC金属，比具有较大内部晶粒和较小表面晶粒的梯度NC金属表现出更好的抗破坏能力。（文：早早）
